确定一组矩形是否有两个重叠的算法
2014-07-15 23:03
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注：更正一下：在英文原版书中，“请给出一个能在O(nlgn)”时间里确定一组矩形中是否有两个重叠的算法。”而不是中文版的 O(lgn).因为这个问题里涉及的排序算法就至少是O(nlgn)。
基本思想：
经提示用以矩形横坐标x为轴作为扫描线，从所有矩形x最小值到矩阵x最大值，当然在这之前要对所有矩形的横坐标x做一个排序，我用的是归并排序。
扫描过程如图所示的三个矩形中，从x1开始扫描，遇到矩形Gi的左x坐标，将Gi的纵坐标y的低端点和高端点组成的区间插入区间树后，判断矩阵Gi与区间树中已有的区间是否重叠，若重叠则返回真以证明重叠矩形存在，若没有重叠，则继续扫描x。如果遇到矩形Gi的右x坐标,说明再往后扫描就不会与Gi矩形重叠，所以把Gi删除。如此循环往复。图中所给三个矩形G1,G2,G3.应该从x1扫描到x2程序就自动终止证明重叠矩形存在，不会扫描到G3。
总体来看：①先做归并排序(时间O(nlgn)) ②再做区间树的插入删除以及重叠操作(O(nlgn)).
代码如下：
"MERGE_SORT.h"头文件
struct Array
{
int key;
int index;
};
void MERGE(struct Array B[],int p,int q,int r)
{
int n1=q-p+1,n2=r-q,flag=-1,i,j;//不能为数组A里面的数。
struct Array *L=new struct Array[n1];
struct Array *R=new struct Array[n2];
for (i=1;i<=n1;i++)
{
L[i-1].key=B[p+i-1].key;
L[i-1].index=B[p+i-1].index;
}
for (j=1;j<=n2;j++)
{
R[j-1].key=B[q+j].key;
R[j-1].index=B[q+j].index;
}
L[n1].key=flag;
R[n2].key=flag;
i=0;j=0;
for (int k=p;k<=r;k++)
{
if (L[i].key==flag)
{
B[k].key=R[j].key;
B[k].index=R[j].index;
j++;
}
else if (R[j].key==flag)
{
B[k].key=L[i].key;
B[k].index=L[i].index;
i++;
}
else if (L[i].key<=R[j].key)
{
B[k].key=L[i].key;
B[k].index=L[i].index;
i++;
}
else
{
B[k].key=R[j].key;
B[k].index=R[j].index;
j++;
}
}
}
void MERGE_SORT(struct Array B[],int p,int r)
{
if (p<r)
{
int q=(p+r)/2;
MERGE_SORT(B,p,q);
MERGE_SORT(B,q+1,r);
MERGE(B,p,q,r);
}
}主函数+区间树
#include <iostream>
#include <conio.h>
#include "MERGE_SORT.h"
using namespace std;
#define BLACK 0
#define RED 1
#define Nil -1
#define LEN sizeof(struct Tree)
#define n 4//矩形的个数
struct Tree*root=NULL;
struct Tree*nil=NULL;
struct interval
{
int low,high;
};
struct Rectangular
{
int flag;
struct interval x,y;
};
struct Tree
{
struct Tree*right,*left;
struct Tree*parent;
struct interval Int;
int Max;
int key;
int color;
};
int MAX(int a,int b,int c)
{
int temp=a>b?a:b;
return temp>c?temp:c;
}
void LEFT_ROTATE(struct Tree*x)
{//左旋转：分三个步骤①②③来叙述旋转代码的。
struct Tree*y=x->right;//设置y结点。
x->right=y->left;//本行代码以及下面的if结构表达的是“y的左孩子成为x的右孩子”。①
if(y->left!=nil)
{
y->left->parent=x;
}
y->parent=x->parent;//本行代码以及下面的if-else结构表达的过程是“y成为该子树新的根”。②
if(x->parent==nil)
{
root=y;
}
else if(x==x->parent->left)
{
x->parent->left=y;
}
else x->parent->right=y;
y->left=x;//本行代码以及下面一行都表达了“x成为y的左孩子”。③
x->parent=y;
y->Max=x->Max;
x->Max=MAX(x->Int.high,x->left->Max,x->right->Max);
}
void RIGHT_ROTATE(struct Tree*x)
{//右旋转：分三个步骤①②③来叙述旋转代码的。
struct Tree*y=x->left;//设置y结点。
x->left=y->right;//本行代码以及下面的if结构表达的是“y的左孩子成为x的右孩子”。①
if(y->right!=nil)
{
y->right->parent=x;
}
y->parent=x->parent;//本行代码以及下面的if-else结构表达的过程是“y成为该子树新的根”。②
if(x->parent==nil)
{
root=y;
}
else if(x==x->parent->right)
{
x->parent->right=y;
}
else x->parent->left=y;
y->right=x;//本行代码以及下面一行都表达了“x成为y的左孩子”。③
x->parent=y;
y->Max=x->Max;
x->Max=MAX(x->Int.high,x->left->Max,x->right->Max);
}
void RB_INSERT_FIXUP(struct Tree*z)
{
while (z->parent->color==RED)
{
if (z->parent==z->parent->parent->left)
{
struct Tree*y=z->parent->parent->right;//叔结点
if (y->color==RED)//情况一：叔结点为红色
{//给p1,y,p2着色以保持性质5。并且解决了z的父结点和z都是红色结点问题
z->parent->color=BLACK;
y->color=BLACK;
z->parent->parent->color=RED;
z=z->parent->parent;//把z的祖父结点当成新结点z进入下一次循环
}
else
{
if (z==z->parent->right)//情况二：检查z是否是一个右孩子且叔结点为黑色，前提是p1结点不是叶子结点
{//使用一个左旋让情况2转变为情况3
z=z->parent;
LEFT_ROTATE(z);//由于进入if语句后可知旋转结点不可能是叶子结点，这样就不用判断z是否是叶子结点了。
}
z->parent->color=BLACK;//情况三：是z是一个左孩子且叔结点为黑色，改变z的父和祖父结点颜色并做一次右旋，以保持性质5
z->parent->parent->color=RED;
RIGHT_ROTATE(z->parent->parent);//由于p2可能是叶子结点，所以最好还是用一个if判断
}
}
else//下面else分支类似于上面,注意到else分支的情况2和情况3所做旋转正好是if分支情况的逆。
{
struct Tree*y=z->parent->parent->left;
if (y->color==RED)
{
z->parent->color=BLACK;
y->color=BLACK;
z->parent->parent->color=RED;
z=z->parent->parent;
}
else
{
if (z==z->parent->left)
{
z=z->parent;
RIGHT_ROTATE(z);
}
z->parent->color=BLACK;
z->parent->parent->color=RED;
LEFT_ROTATE(z->parent->parent);
}
}
}
root->color=BLACK;//最后给根结点着为黑色。
}
void RB_INSERT(struct Tree* z)
{
z->key=z->Int.low;
struct Tree*y=nil;
struct Tree*x=root;
while (x!=nil)
{
y=x;
x->Max=MAX(x->Int.high,x->Max,z->Int.high);
if (z->key<x->key)
{
x=x->left;
}
else x=x->right;
}
z->parent=y;
if (y==nil)
{
root=z;
}
else if(z->key<y->key)
{
y->left=z;
}
else y->right=z;
z->left=nil;//给插入结点左右孩子赋值为空。
z->right=nil;
z->color=RED;//给插入结点着为红色。
z->Max=z->Int.high;//+
RB_INSERT_FIXUP(z);
}
void RB_TRANSPLANT(struct Tree*u,struct Tree*v)
{
if (u->parent==nil)
root=v;
else if(u==u->parent->left)
u->parent->left=v;
else u->parent->right=v;
v->parent=u->parent;
}
//非递归版本的查找二叉查找树的最小值
struct Tree*ITERATIVE_TREE_MINIMUM(struct Tree*x)
{
while (x->left!=nil)
{
x=x->left;
}
return x;
}
//非递归版本的二叉查找树查找函数
struct Tree*ITERATIVE_TREE_SEARCH(struct Tree*x,int k)
{
while (x!=nil&&k!=x->key)
{
if (k<x->key)
{
x=x->left;
}
else x=x->right;
}
return x;
}
void RB_DELETE_FIXUP(struct Tree*x)
{
struct Tree*w=NULL;//w是x的兄弟结点
while (x!=root&&x->color==BLACK)//如果x是黑色并且不是根结点，才进行循环。
{//x是一个具有双重颜色的结点，调整的目的是把x的黑色属性向上移动。
if (x==x->parent->left)
{
w=x->parent->right;
if (w->color==RED)//情况一：x的兄弟结点w是红色的。
{//改变w和x.p的颜色+一次旋转使其变为情况二，三，四。
w->color=BLACK;
x->parent->color=RED;
LEFT_ROTATE(x->parent);
w=x->parent->right;
}
if (w->left->color==BLACK&&w->right->color==BLACK)//情况二：x的兄弟结点w是黑色的，而且w的两个子节点都是黑色。
{
w->color=RED;//从x和w上去掉一重黑色。x还是黑色，而w变为红色。
x=x->parent;//x结点向上移动成为新的待调整结点。
}
else
{
if (w->right->color==BLACK)//情况三：x的兄弟结点w是黑色的，w的左孩子是红色的，w的右孩子是黑色的。
{//交换w和w.left的颜色+旋转使其转变为情况四。
w->left->color=BLACK;
w->color=RED;
RIGHT_ROTATE(w);
w=x->parent->right;
}
w->color=x->parent->color;//以下是情况四：x的兄弟结点w是黑色的，且w的右孩子是红色的。
x->parent->color=BLACK;//置x.p和w.right为黑色+旋转使其去掉x的额外黑色。
w->right->color=BLACK;
LEFT_ROTATE(x->parent);
x=root;//x成为根结点，结束循环。
}
}
else//以下和上面的if分支类似，不做累述。
{
w=x->parent->left;
if (w->color==RED)
{
w->color=BLACK;
x->parent->color=RED;
RIGHT_ROTATE(x->parent);
w=x->parent->left;
}
if (w->left->color==BLACK&&w->right->color==BLACK)
{
w->color=RED;
x=x->parent;
}
else
{
if (w->left->color==BLACK)
{
w->right->color=BLACK;
w->color=RED;
LEFT_ROTATE(w);
w=x->parent->left;
}
w->color=x->parent->color;
x->parent->color=BLACK;
w->left->color=BLACK;
RIGHT_ROTATE(x->parent);
x=root;
}
}
}
x->color=BLACK;
}
void RB_DELETE(struct Tree*z)
{
struct Tree*y=z,*x;//y为待删除或待移动结点
int y_original_color=y->color;//保存y的原始颜色，为做最后的调整做准备。
if (z->left==nil)
{
x=z->right;//x指向y的唯一子结点或者是叶子结点，保存x的踪迹使其移动到y的原始位置上
RB_TRANSPLANT(z,z->right);//把以z.right为根的子树替换以z为根的子树。
}
else if (z->right==nil)
{
x=z->left;//x指向y的唯一子结点或者是叶子结点，保存x的踪迹使其移动到y的原始位置上
RB_TRANSPLANT(z,z->left);//把以z.left为根的子树替换以z为根的子树。
}
else
{
y=ITERATIVE_TREE_MINIMUM(z->right);//找到z.right的后继。
y_original_color=y->color;//y的新的原始结点被重置。
x=y->right;//x指向y的唯一子结点或者是叶子结点，保存x的踪迹使其移动到y的原始位置上
if (y->parent==z)
{
x->parent=y;//由于z的父结点是要删除的结点，所以不能指向它，于是指向y
}
else
{
RB_TRANSPLANT(y,y->right);//把以y.right为根的子树替换以y为根的子树。
y->right=z->right;
y->right->parent=y;
}
RB_TRANSPLANT(z,y);//把以y为根的子树替换以z为根的子树。
y->left=z->left;
y->left->parent=y;
y->color=z->color;//把已经删除的结点颜色赋值给y，保证了y以上的树结构红黑性质不变。
}
struct Tree*k=x->parent;
while (k!=nil)
{
k->Max=MAX(k->left->Max,k->right->Max,k->Int.high);
k=k->parent;
}
if(y_original_color==BLACK) //y的原始颜色为黑色，说明需要调整红黑颜色。
RB_DELETE_FIXUP(x);
}
bool overlap(struct interval x,struct interval i)
{
if (x.high<i.low||i.high<x.low)
{
return true;//没有重叠
}
else
{
return false;
}
}
struct Tree *INTERVAL_SEARCH(struct Tree *T,struct interval i)
{
struct Tree *x=T;
while (x!=nil&&overlap(x->Int,i))
{
if (x->left!=nil&&x->left->Max>=i.low)
{
x=x->left;
}
else x=x->right;
}
return x;
}
bool Rectangle_overlap(struct Rectangular A[],struct Array B[])
{//判断n个矩阵是否重叠，运行时间为O(nlgn)
int i=1;
while (i!=2*n)
{
if (A[B[i].index].flag==0)//0代表矩形Ri的纵坐标的还未进入扫描线。
{
struct Tree*z=new struct Tree[LEN];
z->key=A[B[i].index].y.low;
z->Int.low=A[B[i].index].y.low;
z->Int.high=A[B[i].index].y.high;
A[B[i].index].flag=1;
if (root!=z&&INTERVAL_SEARCH(root,z->Int)!=nil)
{//如果矩形重叠存在，那么直接返回。
return true;
}
RB_INSERT(z);//将这个矩形插入进区间树
}
else//否则，矩形Ri的纵坐标进入过扫描线了，那么遇到的横坐标(B[i].key代表横坐标)必然是Ri的高端点。
{
if (i==2*n-1||A[B[i+1].index].y.low!=A[B[i].index].y.high)
{
struct Tree*z=ITERATIVE_TREE_SEARCH(root,A[B[i].index].y.low);//先找到区间树中的这个结点。
RB_DELETE(z);//从区间树中删除这个矩形。
}
}
i++;
}
return false;
}
void init(struct Rectangular A[],struct Array B[])
{//区间树初始化。
nil=new struct Tree[LEN];//设置叶子结点
nil->key=Nil;nil->color=BLACK;
root=nil;
int i=0;
struct Tree*z=new struct Tree[LEN];//设置根结点。
z->key=A[B[i].index].y.low;
z->Int.low=A[B[i].index].y.low;
z->Int.high=A[B[i].index].y.high;
RB_INSERT(z);
root=z;
A[B[i].index].flag=1;
}
int char_int()
{
char ch;
int i=0,s=0,t=1;
char ch1
={0};
while (ch!=' ')
{
if (ch=='#')
{
while (i)
{
cout<<"\b";
ch1[i]=' ';
i--;
}
}
ch=getch();
cout<<ch;
ch1[i++]=ch;
}
cout << "\b";//\b退格符号
while (i>1)
{
s+=(ch1[i---2]-'0')*t;
t*=10;
cout << "\b";
}
return s;
}
void main()
{
struct Rectangular A
={0};
struct Array B[2*n]={0};
for (int i=0,j=0;i<n,j<2*n;i++,j+=2)
{
cout<<"请输入第"<<i<<"个矩阵的数据：(按#号键重新输入，按空格键结束输入)"<<endl;
cout<<"x的左端点=";cout<<(A[i].x.low=char_int());
cout<<" x的右端点=";cout<<(A[i].x.high=char_int());
cout<<" y的低端点=";cout<<(A[i].y.low=char_int());
cout<<" y的高端点=";cout<<(A[i].y.high=char_int())<<endl;
B[j].key=A[i].x.low;
B[j+1].key=A[i].x.high;
B[j].index=i;
B[j+1].index=i;
}
MERGE_SORT(B,0,2*n-1);//归并排序，时间为O(nlgn)
init(A,B);
if(Rectangle_overlap(A,B))
{
cout<<"重叠矩阵存在！"<<endl;
}
else cout<<"重叠矩阵不存在"<<endl;
}最后测试时注意，和通常输入数据不太一样的是按空格结束输入并且按#号重新输入！
样例输入：
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